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PROFIBUS—DP现场总线在涤纶短丝后处理联合机中的应用
摘要:介绍了PROFIBus—DP现场总线的特点及其在化纤涤纶短丝后处理牵伸联合机的应用，方便了工艺操作，提高了系统的稳定性与准确性。
关键词:现场总线;后处理牵伸联合机;人机界面
　　在化纤涤纶短丝的生产工艺流程中，后处理牵伸联合机是整个生产线中的关键设备，各单元机的控制精度直接影响成品丝的质量。采用传统的机械长边轴或同步调节器控制，对各单元机之问的工艺比例倍数调整极不方便，且控制精度难以保证。所以，为了方便对各工艺参数的调节，提高整个系统的控制精度和可靠性，采用“西门子TP170A触摸屏+S7—300PLC+矢量控制型逆变器”的控制模式，并采用PROFIBUS—DP作为主通信方式。
2 PROFIBUS—DP现场总线
　　PROFIBUS是德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170的现场总线标准。PROFIBUS广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化等行业。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA。其特点分别为：PROFIBUS—DP（工厂自动化），快速即插即用；PROFIBUS—FMS（通用性自动化），通用、大范围使用、多主通信；PROFIBUS—PA（过程自动化），面向应用、总线供电、本质安全。PROFIBUS—DP用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信，多数数据交换是周期性的，除此以外，智能化现场设备还需要非周期性通信，以进行配置诊断和报警处理。
　　PROFIBUS各种协议的实现可以通过PROFIBUS的相应专门协议芯片和微处理器的结合来完成。在电力传动领域，各个公司分别推出自己的实现PROFIBUS各种协议的通信模板，直接插入变频器内就可以完成通讯。如：西门子公司SIMOVERTMASTERDRIVERS变频器中的CBP板，艾默生变频器的TDS—PA01适配器。现就涤纶短丝后处理牵伸联合机自动化控制系统中PROFIBUS的具体应用作一描述。
[b]3 涤纶短丝后处理牵伸联合机PROFIBUS现场总线的应用
3．1 涤纶短丝后处理牵伸联合机传动系统[/b]
　　本文以涤纶短丝后处理牵伸联合机自动化控制系统为例，介绍PROFIBUS现场总线应用。
　　化纤聚酯切片经熔融纺丝卷绕上油形成丝束喂人盛丝桶内，盛丝桶里的丝束从集束架引出，经过浸油槽上油，进入第一牵伸机；本生产线共有两道牵伸，一道牵伸在第一牵伸机和第二牵伸机之间进行；一道牵伸所需的牵伸温度是75～80℃ ，由水浴牵伸槽提供。二道牵伸是在第二牵伸机和第三牵伸机之间的蒸汽牵伸箱中进行，牵伸温度约为95～100～C；牵伸后的丝束由叠丝机将其叠成一片，送入卷曲机使丝束卷曲成形。系统结构组成如图1所示。
　　系统使用6套西门子矢量控制型逆变器，分别驱动6台单元机。PLC采用西门子S7—300系列。在主控柜内设置PLC主站，现场操作台上装有西门子TP170A型触摸屏，触摸屏与各变频器均为从站。PLC通过PROFIBUS—DP现场总线将主站与从站全部连接起来组成了一个工业现场总线系统，即提高了系统的可靠性与稳定性，也极大地方便了工艺人员和操作人员。该系统主要有以下特点和功能：矢量控制变频技术，电动机上的编码器和逆变器构成速度闭环；能耗制动加机械制动，停车时自动投入制动工作，工作可靠，制动平稳，实现了高速下的快速停车；先进的工业现场总线PROFIBUS总线；触摸屏使用户操作方便，速度、电流、温度及压力等工艺参数实时显示及设定电气系统运行监控与显示，故障显示、诊断、报警等；系统设单动 动选择开关，当选择开关处于单动位置时，各单元机可按设定的单动速度运行，当选择开关处于联动位置时，联合机按设定的拉伸比例同步运行。
3．2 PROFIBUS—DP网络组成
　　利用S7—300 CPU313C一2DP作为主站，逆变器加CBP板、现场触摸屏（TP170A）作为从站，组成一个单主PROFIBUS—DP通信系统。DP适用于数据高速通信的场合，采用RS 485双绞线电缆或光纤电缆，波特率可达到12 Mbps，采用点对点（用户数据与传输）或广播（控制指令）方式，支持循环的主从数据传输。PROFIBUS网络组成如图2所示。
　　由于PLC主站和所有从站都为西门子产品，所以都满足了PROFIBUS总线通信协议。在本系统中，采用RS 485屏蔽双绞线作为通信介质，通信波特率为1．5 Mbps，PROFIBUS为总线拓扑结构环形网络。PROFIBUS—DP主要使用主一从方式，PLC主站周期性地与传动装置进行数据交换。在PRO—FIBUS结构中，周期性通道MSCY—C1的可用数据被定义为参数过程对象PPO，可用数据结构分成不同两部分并用报文形式分别传送：PZD部分（包括控制字，设定值，状态字和实际值）；PKW（用于读、写参数值）。当总线系统启动时，这种用于PROFIBUS主站到传动装置的PPO类型可以被设置，设置哪种类型的PPO，取决于在自动化网络中传动装置的功能。
　　PROFIBUS装置有各种不同特性，为了所有主站系统能正确调用所使用的附加板，必须需要每一个装置的主数据文件GSD。为了能够有效通信，在STEP7中，必须为每一总线设备设定地址，以便主站寻址。在CBP板设置的通信参数有：P918（总线地址），P712（PPO类型），P722（过程数据的报文故障时间）。
　　本系统采用了PROFIBUS—DP总线，使得系统节省了到机台的大量电缆，增加了可靠性，减少了变频系统的干扰，便于人员操作和维护。
3．3 PROFIBUS的诊断功能
　　PROFIBUS具有强大的诊断功能，当接到从站传到的警报或错误时，主站迅速作出反应中止正常通信，对故障快速定位。这种诊断信息分为三级：本站诊断操作和模块诊断操作、通断诊断操作。故障清除以后，总线恢复正常通信。
4 软件设计与控制
　　系统软件设计主要由2个部分构成，一部分是PLC的控制软件设计，另一部分是触摸屏的画面组态设计。
　　从功能上讲，PLC主要完成系统的初始化，各种数字I／O量的控制，故障监测和自诊断控制，同步系数、拉伸系数的设置与各段输出数据信号的计算以及与触摸屏间的通信等。整个PLC的工作流程如图3所示。
　　软件主要由主程序，自诊断程序，数据运算程序组成，它以循环扫描的工作方式执行。触摸屏的画面组态包括创建显示画面和编辑信息，并将它们与PLC程序相链接，它主要由3个部分组成，第1部分是工作画面示意图，系统的工艺流程及各项参数都显示在上面，工艺操作人员能及时了解系统工作情况。第2部分是系统工作参数的实时控制，包括拉伸系数，同步系数，各减速箱的减速比，制动延时时间的设定与修改，为防止有人误操作而对系统产生破坏，可以为不同的操作人员设定不同的操作密码和相应的操作权限，以保障系统安全和生产安全。第3部分是报警功能及帮助信息设置，当PLC检测到系统运行中发生故障时，就把相应的故障信息传给触摸屏，触摸屏显示相应的报警画面，显示故障内容及帮助信息的链接，提示维护人员做相应的处理。
5 前景及优越性
　　电力传动是工业自动化的一个重要分支领域，电力控制装置随着功率电子学，微电子学和计算机技术的发展，以具有相当水平的自治性和智能化。现场总线技术在电力传动领域中的应用，具有以下优点：一是推动电力传动装置全数字化。由于现场总线系统的开发性，不同厂家的设备之间可以实现信息交换，用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同厂家的设备组成大小随意的系统。使得生产厂家在应用现场总线技术到产品时，将进一步加大装置数字化。二是降低电力传动控制系统的安装成本和维护费用。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，从而可减少系统硬件投资。而且现场总线系统接线十分简单，电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，节省了安装费用。由于现场控制设备具有自诊断和处理简单故障的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，使用户可查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速解除。三是充分应用软件功能，提高系统复杂控制的能力。由于现场总线系统设备的智能化、数字化，与模拟信号相比较，它从根本上提高了测量与控制的精度；减少了传送误差。同时由于系统结构简单，减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。
　　生产实践已经证明，此方案具有简单实用、运行稳定可靠、操作维护方便等特点，已成功地应用于化纤涤纶短丝后处理牵伸联合机上，取得了很好的经济效益和良好的社会效益。
1 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社，1998．
2 西门子（中国）有限公司．SIMATIC S7—300可编程控制器系统手册，2004．
3 西门子（中国）有限公司．STEP7 V5．1编程手册，2004
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艾默生CT EV3000变频器及其公用直流母线在涤纶短丝牵伸联合机中的应用
来源：湖南邵阳纺织机械有限公司&&&发布时间：日
摘要：本文介绍了艾默生CT EV3000变频器及其公用直流母线在涤纶短丝牵伸联合机中的应用，克服了原系统的缺点，完善了系统功能，提高了经济效益。1、涤纶短丝牵伸联合机的工作原理及原设计的缺陷　　涤纶短丝牵伸联合机示意图如图1所示，它是一种完成涤纶化学纤维牵伸卷曲成型的多单元传动的化纤联合机械，各单元机之间的运行速度保持一定的比率关系，从而完成化学纤维牵伸卷曲成型。第三牵伸机、卷曲机传动电机处于电动工作状态，而第一牵伸机、第二牵伸机传动电机处于发电工作状态，也即控制第一牵伸机、第二牵伸机传动电机使其完成四象限运行。　　传统设计是由一台变频器控制一台大功率电机通过机械长边轴拖动四台单元机，其问题是：（1）机械长边轴安装调整困难，靠机械无级变速器调节牵伸倍率精度差，不直观；（2）单台电机运行参数无法准确获得；（3）难以实现四象限运行，从而很难适应较大牵伸倍率的需要。图1 涤纶短丝牵伸联合机示意图2、系统组成　　控制系统组成如图2所示，系统由艾默生CT EV3000矢量型变频器、斩波制动器、制动电阻器、接触器K1、K2、K3、K4及一些快熔组成。四台变频器的直流输出相互连接构成公用直流母线，提供能量在传动直流母线流动的通路，使联合机的同步及制动控制更为灵活、方便。图2 控制系统组成示意图　　为确保变频器上电后顺利地挂上DC母线，或是在变频器故障后快速地与DC母线断开以进一步缩小变频器故障范围，使用在该场合的变频器必须要有信号24VDC或干触点信号输出，其输出信号至少包括：（1）READY信号：该信号输出有效则表示变频器无故障，母线电压正常，可以接受启动命令；（2）FAULT信号：该信号输出表示变频器故障。母线上的半导体快速熔断器，额定电压通常可选700VDC，如Bussman的FWP系列或Gouldshawmut的A70P系列，额定电流必须考虑到驱动电机在电动或制动时的最大能量，一般情况下可以额定负载的125%电流即可。K为直流接触器，如ABB的EHDB系列，额定电压650VDC，其额定电流同样须根据驱动电机制动时的最大电流来定，一 般情况下可以选额定负载的120%电流。3、控制功能的实现3．1 EV3000变频器的特点　　EV3000系列变频器是高品质、多功能、低噪声的矢量控制通用变频器，通过对电机的磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了对转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行和转矩控制。具有过压、过流、缺相、过热、过载、编码器断线等故障保护功能，支持应急运行。3．2 控制原理　　控制原理框图如图3所示。其原理是（1）速度给定信号由PLC通过运算后由PROFIBUS总线送给各单元变频器；（2）利用变频器内置PID功能完成PI调节，在实际运行中可根据运行情况适当改变；（3）编码器选用日本光洋高可靠性集电极开路输出型旋转编码器，1000P/R，从而实现闭环运行。图3 控制原理框图3．3 变频器的启停控制　　变频器的启停控制的启停控制的逻辑图如图四所示，各单元机变频器的启停均由&变频器无故障&、&牵伸机油泵开&、&电机冷却风机开&、&电机脱离制动&、&系统已启动&五路信号控制，五路信号的逻辑控制由PLC完成，再由PLC输出信号控制各单元变频器。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　控制原理图3．4 联合机速度控制　　联合机速度控制以第三牵伸机的速度为基准，通过设定相邻单元机之间的倍率关系，PLC通过运算后由PROFIBUS总线将速度信号送给相应变频器；运行速度、倍率参数的设定、显示均在西门子TP177A触摸屏上实现，大大方便了操作人员修改参数和监视设备运行情况。3．5变频器主要参数设置功能码 设定参数 备注F0.02 1 控制方式为闭环控制方式<0.03 6 频率设定方式为通讯给定F0.05 1 运行命令为端子控制F0.10 10S 加速时间设定F0.11 10S 减速时间设定F5.11 0 变频器准备就绪F9.00 4:19200bps 波特率选择F9.01 0 数据格式F9.03 4 PPO模式选择EV3000公用直流母线4．1 EV3000公用直流母线　　将电压型变频器的二极管整流桥的直流输出端之间连接起来,输入到逆变部分,这种配置称为公用直流母线。EV3000公用直流母线是将多个EV3000变频器的直流输出相互连接形成公用直流母线结构的系统配置，其作用是提供能量在传动直流母线间流动的通路，使一部分处于电动状态而另一部分处于逆变状态，系统的应用更为灵活方便。4．2 公用直流母线的优点　　当一台单元机处于电动，另一台处于逆变状态时，由于公用直流母线的作用，可使能量在传动直流母线间流通，实现能量的回馈互补，优化系统的动态特性，由于使用公用直流母线可采用单一制动器对多个进行制动，比单个传动单独使用制动单元更经济且维修方便。公用直流母线的中间直流电压恒定，电容储存并联容量大，可以提高系统功率因数，降低电网谐波电流，提高系统用电效率。结束语　　EV3000变频器及其公用直流母线在涤纶短丝牵伸联合机中的应用，实现了：（1）一台变频器拖动一台单元机电机，可以准确检测各单元机电机运行状态参数，使联合机系统的控制和保护性能更完善；（2）调速系统可靠性高、控制灵活、操作方便；（3）实现四象限运行，能适应较大牵伸倍率的需要；（4）公用直流母线的使用，优化了系统动态特性，提高了系统的工作稳定性。
参 考 文 献（1）艾默生CT EV3000高性能矢量控制变频器用户手册。（2）李方圆著《浅谈变频器的两种制动方式》。[作者简介] 夏旺平: 湖南邵阳纺织机械有限公司化纤研究所电气高级工程师，主要从事化纤机械的电气自动控制设计工作。&&&&&&
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关键词:&&&&&&&
1．涤纶短丝牵伸联合机的工作原理及原设计的缺陷
涤纶短丝牵伸联合机示意图如图1所示，它是一种完成涤纶化学纤维牵伸卷曲成型的多单元传动的化纤联合机械，各单元机之间的运行速度保持一定的比率关系，从而完成化学纤维牵伸卷曲成型。第三牵伸机、卷曲机传动电机处于电动工作状态，而第一牵伸机、第二牵伸机
传动电机处于发电工作状态，也即控制第一牵伸机、第二牵伸机传动电机使其完成四象限运行。
传统设计是由一台变频器控制一台大功率电机通过机械长边轴拖动四台单元机，其问题是：（1）机械长边轴安装调整困难，靠机械无级变速器调节牵伸倍率精度差，不直观；（2）单台电机运行参数无法准确获得；（3）难以实现四象限运行，从而很难适应较大牵伸倍率的需要。
2．系统组成
控制系统组成如图2所示，系统由艾默生CT EV3000矢量型变频器、斩波制动器、制动电阻器、接触器K1、K2、K3、K4及一些快熔组成。四台变频器的直流输出相互连接构成公用直流母线，提供能量在传动直流母线流动的通路，使联合机的同步及制动控制更为灵活、方便。
为确保变频器上电后顺利地挂上DC母线，或是在变频器故障后快速地与DC母线断开以进一步缩小变频器故障范围，使用在该场合的变频器必须要有信号24VDC或干触点信号输出，其输出信号至少包括：（1）READY信号：该信号输出有效则表示变频器无故障，母线电压正常，可以接受启动命令；（2）FAULT信号：该信号输出表示变频器故障。母线上的半导体快速熔断器，额定电压通常可选700VDC，如Bussman的FWP系列或Gouldshawmut的A70P系列，额定电流必须考虑到驱动电机在电动或制动时的最大能量，一般情况下可以额定负载的125%电流即可。K为直流接触器，如ABB的EHDB系列，额定电压650VDC，其额定电流同样须根据驱动电机制动时的最大电流来定，一&&&& 般情况下可以选额定负载的120%电流。
3．控制功能的实现
3．1& EV3000变频器的特点
EV3000系列变频器是高品质、多功能、低噪声的矢量控制通用变频器，通过对电机的磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了对转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行和转矩控制。具有过压、过流、缺相、过热、过载、编码器断线等故障保护功能，支持应急运行。
3．2 控制原理
控制原理框图如图3所示。其原理是（1）速度给定信号由PLC通过运算后由PROFIBUS总线送给各单元变频器；（2）利用变频器内置PID功能完成PI调节，在实际运行中可根据运行情况适当改变；（3）编码器选用日本光洋高可靠性集电极开路输出型旋转编码器，1000P/R，从而实现闭环运行。
3．3 变频器的启停控制
变频器的启停控制的启停控制的逻辑图如图四所示，各单元机变频器的启停均由&变频器无故障&、&牵伸机油泵开&、&电机冷却风机开&、&电机脱离制动&、&系统已启动&五路信号控制，五路信号的逻辑控制由PLC完成，再由PLC输出信号控制各单元变频器。
3．4 联合机速度控制
联合机速度控制以第三牵伸机的速度为基准，通过设定相邻单元机之间的倍率关系，PLC通过运算后由PROFIBUS总线将速度信号送给相应变频器；运行速度、倍率参数的设定、显示均在西门子TP177A触摸屏上实现，大大方便了操作人员修改参数和监视设备运行情况。
3．5变频器主要参数设置
功能码&&&&&&&&&&&&& 设定参数&&&&&&&&&&&&&&& 备注
F0.02&&&&&&&&&&&&&&&&&& 1&&&&&&&&&&&&&&&&& 控制方式为闭环控制方式
F0.03&&&&&&&&&&&&&&&&&& 6& &&&&&&&&&&&&&&&&频率设定方式为通讯给定
F0.05&&&&&&&&&&&&&&&&&& 1&&&&&&&&&&&&&&&&& 运行命令为端子控制
F0.10&&&&&&&&&&&&&&&&&& 10S&&&&&&&&&&&&&&& 加速时间设定
F0.11&&&&&&&&&&&&&&&&&& 10S&&&&&&&&&&&&&&& 减速时间设定
F5.11&&&&&&&&&&&&&&&&&& 0&&&&&&&&&&&&&&&&& 变频器准备就绪
F9.00&&&&&&&&&&&&&&&&&& 4:19200bps&&&&&&&&& 波特率选择
F9.01&&&&&&&&&&&&&&&&&& 0&&&&&&&&&&&&&&&&&& 数据格式
F9.03&&&&&&&&&&&&&&&&&& 4&&&&&&&&&&&&&&&&&& PPO模式选择
4．EV3000公用直流母线
4．1 EV3000公用直流母线
将电压型变频器的二极管整流桥的直流输出端之间连接起来,输入到逆变部分,这种配置称为公用直流母线。EV3000公用直流母线是将多个EV3000变频器的直流输出相互连接形成公用直流母线结构的系统配置，其作用是提供能量在传动直流母线间流动的通路，使一部分处于电动状态而另一部分处于逆变状态，系统的应用更为灵活方便。
4．2 公用直流母线的优点
当一台单元机处于电动，另一台处于逆变状态时，由于公用直流母线的作用，可使能量在传动直流母线间流通，实现能量的回馈互补，优化系统的动态特性，由于使用公用直流母线可采用单一制动器对多个进行制动，比单个传动单独使用制动单元更经济且维修方便。公用直流母线的中间直流电压恒定，电容储存并联容量大，可以提高系统功率因数，降低电网谐波电流，提高系统用电效率。
EV3000变频器及其公用直流母线在涤纶短丝牵伸联合机中的应用，实现了：（1）一台变频器拖动一台单元机电机，可以准确检测各单元机电机运行状态参数，使联合机系统的控制和保护性能更完善；（2）调速系统可靠性高、控制灵活、操作方便；（3）实现四象限运行，能适应较大牵伸倍率的需要；（4）公用直流母线的使用，优化了系统动态特性，提高了系统的工作稳定性。
参& 考& 文& 献
（1）艾默生CT EV3000高性能矢量控制变频器用户手册。
（2）李方圆著《浅谈变频器的两种制动方式》。
[作者简介] 夏旺平:& 湖南邵阳纺织机械有限公司化纤研究所电气高级工程师，主要从事化纤机械的电气自动控制设计工作。
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